[发明专利]一种高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法

说明书

本发明公开一种基于高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法，具体步骤包括构建视地参考点、构建单目相机视地空间双向映射模型、误差评估与模型优化、地视转换、视地转换五个步骤。本发明基于单目瞭望塔摄像机云台实时回传角度数据和视频画面地物的地理空间坐标，构建超定方程组，实现视地空间双向映射，满足定位精度需求，解决单目瞭望塔摄像机监控视频目标与地理空间实时双向定位问题，具有适用性强、定位范围广、定位精度高、数据实时回传等优点，在城市安防、森林防火等场景中具有较高的应用价值。

技术领域

本发明属于监控视频目标空间定位技术领域，具体涉及一种高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法。

背景技术

监控视频包含丰富的视觉信息，但不具备地理空间属性。因此，监控视频目标空间化表达一直是监控视频与地理信息融合方向的重点和难点。

单目PTZ相机监控视频是目前视频监控领域中应该最为广泛的一种。传统单目PTZ相机监控视频与地理场景的融合多采用视觉透视变换、像素特征匹配两种方式。其中，视觉透视变换具体包括透视变化矩阵和逆透视变换矩阵，以实现视频向地理空间中的投影和逆投影，该方式对相机在物理世界中的位置坐标、实际姿态参数的精度要求高。目前，大量单目瞭望塔监控设施存在地理空间坐标缺失、姿态参数为相对参数等问题，不仅难以适应实际工程生产工作，而且实用推广性有限。像素特征匹配则是采用视频与地理场景画面像素特征匹配途径，如 SIFT+RANSAC方法，需在计算机上实时渲染出三维地理场景，通过场景模拟相机取景，与实际采集视频数据之间做特征匹配求解，但是当开启多个三维地理场景时，计算性能将骤然下降，难以在实际工程中应用。因此，发明一种适用于野外远距离的高精度定位方法对工程应用的推广具有重要意义。

发明内容

发明目的：本发明旨在基于单目瞭望塔摄像机云台实时回传角度数据和视频画面地物的地理空间坐标，构建高维超定方程组，实现视地空间双向映射，从而解决单目瞭望塔摄像机监控视频目标与地理空间实时双向定位问题，扩大定位范围、提高定位精度。

技术方案：本发明的一种高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法，包括如下步骤：

步骤1、构建视地参考点：调节摄像机姿态，将摄像机画面中心点对准边界清晰的地物，同时在地图上找到该地物，记录此时的摄像机姿态和地物的地理空间坐标，作为视地参考点，记为P(x,y,z,p,t)。

步骤2、构建单目相机视地空间双向映射模型：单目相机视地空间双向映射模型的实质是摄像机旋转角(p,t)和地理空间坐标(x,y,z)一一对应的函数关系，可拆解为地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型和摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模型，具体步骤如下：

步骤2.1、构建从(x,y,z)到(p,t)的坐标转换关系，建立对应高维超定方程，代入视地参考点，求解高维超定方程未知数，得到地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型。

步骤2.2、构建从(p,t)到(x,y,z)的坐标转换关系，建立对应高维超定方程，代入视地参考点，求解高维超定方程未知数，得到摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模型。

步骤3、误差评估与模型优化：将视地参考点的地理空间坐标带入模型中求得对应旋转角，计算地视转换误差，对误差较大的点进行调整或删除，直到均方根误差满足定位需求。将视地参考点的旋转角代入模型中求得对应地理空间坐标，计算视地转换误差，对误差较大的点进行调整或删除，直到均方根误差满足定位需求。

步骤4、地视转换：在地图定位范围内任意选定点P，获取该点地理空间坐标(x,y,z)，将(x,y,z)代入选定的地视定位模型，解算出对应的摄像机旋转角 (p',t)，由于地视转换模型存在一定的系统误差，需采用一种几何纠正方法优化，计算获取更高精度的摄像机旋转角(p,t)，然后通过网络连接远程控制摄像机姿态变换，使目标点位处于监控画面中心，实现地视转换。